淺埋深易自燃煤層火區(qū)注漿滅火技術(shù)

戴明穎

（中國(guó)航天科工航天信息股份有限公司，北京100195）

煤層火災(zāi)的治理，其根本措施主要通過(guò)避免煤與空氣的接觸、降低煤的溫度以及惰化煤表面大分子活性結(jié)構(gòu)3 個(gè)方面入手，防治及撲滅煤的自燃火災(zāi)。目前，在火區(qū)治理技術(shù)應(yīng)用方面，國(guó)內(nèi)外實(shí)施效果較好的防滅火技術(shù)主要有灌漿防滅火技術(shù)、惰氣防滅火技術(shù)、堵漏風(fēng)防滅火技術(shù)、阻化劑防滅火技術(shù)、膠體防滅火技術(shù)等以及它們之間的綜合應(yīng)用技術(shù)[1-3]。但火區(qū)一般存在存在時(shí)間久、范圍大、溫度高，隱蔽火源不宜探測(cè)，投入經(jīng)費(fèi)大，治理難度高且不易徹底撲滅的特點(diǎn)。針對(duì)中煤金海洋公司元寶灣煤礦406 火區(qū)所存在的問(wèn)題，基于測(cè)氡法精探火區(qū)技術(shù)之上，采用帷幕隔離封堵為主、高溫火區(qū)注漿和注液氮為輔的綜合方法治理火區(qū)。帷幕注漿滅火技術(shù)即在火區(qū)邊界進(jìn)行鉆孔注漿，待漿液凝固形成火區(qū)的帷幕隔離帶，達(dá)到撲滅火區(qū)并杜絕向采空區(qū)漏風(fēng)目的的火區(qū)治理方法。

1 火區(qū)概況

中煤金海洋公司元寶灣煤礦為兼并重組整合礦井，主要可采煤層5 層，分別為3、4、6、9 和11 號(hào)。4號(hào)煤層埋深約115～140 m，與下覆6 號(hào)煤層間距為8.56～19.72 m。井田早期采用房柱式、巷采開(kāi)采方式對(duì)3 號(hào)煤（局部）、4 號(hào)煤（大部）和6 號(hào)、9 號(hào)煤（局部）進(jìn)行了大范圍破壞性回采，形成大量老采空區(qū)，與地表溝通并相互串聯(lián)。該礦4 號(hào)煤層406 火區(qū)存在已久。2014 年礦方曾對(duì)火區(qū)進(jìn)行初步探測(cè)和治理，其鉆孔的溫度和CO 體積分?jǐn)?shù)最高達(dá)1 040 ℃和4 570×10-6，礦方采取注漿治理的方法，因鉆孔施工位置未捕捉到高溫火點(diǎn)，且注漿量較少，最終效果不佳。礦井目前開(kāi)采6 號(hào)煤層，6105、6106、6205等工作面距離火區(qū)較近，一旦下方6 號(hào)煤層開(kāi)采時(shí)頂板垮落，與4 號(hào)煤層火區(qū)相聯(lián)通，火區(qū)內(nèi)有毒、有害氣體將大量壓入6 號(hào)煤層回采工作面。因406 火區(qū)歷時(shí)長(zhǎng)、范圍大、溫度高，存在高位隱蔽火源，治理難度高，且不易徹底撲滅，為保證火區(qū)下伏6 號(hào)煤層工作面安全開(kāi)采，并節(jié)約治理成本，在前期火源探測(cè)基礎(chǔ)上，提出以帷幕注漿隔離為主，高溫火區(qū)注漿、注液氮處理為輔的火區(qū)治理方案。

火區(qū)與6 號(hào)煤層工作面關(guān)系如圖1。

圖1 火區(qū)與6 號(hào)煤層工作面關(guān)系示意圖Fig.1 Sketch map of relationship between fire area and No. 6 coal seam working face

2 火區(qū)治理工藝

2.1 鉆孔實(shí)施及檢測(cè)

基于測(cè)氡法火區(qū)探測(cè)結(jié)論[4-6]，結(jié)合現(xiàn)有的、較為模糊的4 號(hào)煤層房柱式開(kāi)采井巷布置資料，以高溫火區(qū)為中心，由外向內(nèi)施工兩道帷幕鉆孔，高溫火區(qū)中心施工注漿滅火鉆孔，406 火區(qū)治理鉆孔施工布置圖如圖2。

圖2 406 火區(qū)治理鉆孔施工布置圖Fig.2 Construction layout of borehole treatment in 406 fire area

經(jīng)對(duì)鉆孔溫度和氣體檢測(cè)，已施工且終孔位置位于4 號(hào)煤層采空區(qū)的69 個(gè)鉆孔中，最高溫度為558 ℃，溫度大于200 ℃鉆孔6 個(gè)，100～200 ℃鉆孔25 個(gè)。10 個(gè)鉆孔中CO 體積分?jǐn)?shù)均大于1 000×10-6，最高體積分?jǐn)?shù)接近1%，并且具有較高體積分?jǐn)?shù)的C2H4、C2H2。

2.2 注漿系統(tǒng)

在火區(qū)治理區(qū)域較高位置地表建立自動(dòng)化地面注漿站系統(tǒng)，主要由散裝水泥倉(cāng)、粉煤灰倉(cāng)、配料機(jī)控制器、螺旋輸送機(jī)、空壓機(jī)、立式攪拌機(jī)、注漿泵、水泵、智能電磁流量計(jì)、配電控制柜組成，并安裝防雷擊裝置[7-8]。散裝水泥和粉煤灰由罐車高壓注入倉(cāng)內(nèi)，由配料控制器控制水泥、粉煤灰配料比例，由水泵和流量計(jì)控制水量流量，在攪拌罐內(nèi)進(jìn)行充分?jǐn)嚢韬?，由注漿泵和智能電磁流量計(jì)控制注漿量，漿液由管路壓入鉆孔內(nèi)。該系統(tǒng)在下料、稱量、配比方面均能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化，現(xiàn)場(chǎng)僅需1 人在線操作，節(jié)約人工成本，注漿量達(dá)40～60 m3/h，日注漿量大于500 m3/d，輸送距離≥400 m。

2.3 注漿參數(shù)

1）漿液配比。帷幕注漿選用水、水泥以及粉煤灰作為填充材料[9]，水泥∶粉煤灰（質(zhì)量比）=1∶3，固體∶水（質(zhì)量比）=1∶（1～1.3）；高溫火區(qū)治理選用水、水泥、粉煤灰以及MH 滅火材料作為注漿材料[10]，MH滅火材料∶粉煤灰=3∶100，水泥∶粉煤灰=1∶10，水∶固體=2∶1。則水∶粉煤灰∶水泥∶MH 滅火材料=226∶100∶10∶3，漿液密度約1.5 t/m3。

2）帷幕漿液析水率。漿液析水率要在保證輸送距離、注漿壓力、小時(shí)注漿量等條件下盡量縮減，漿液析水率越低，帷幕隔離效果越好，且不易產(chǎn)生積水。因此，注漿材料之間的配比至關(guān)重要。注漿之前，針對(duì)帷幕注漿漿液析水率進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)定；制作2 個(gè)體積50 cm×50 cm×50 cm 的箱子，內(nèi)襯塑料布。正式注漿前，分別在1 號(hào)和2 號(hào)箱子內(nèi)注入高度為35.5 cm 和40.5 cm 的漿液；然后將箱子放置在火區(qū)治理現(xiàn)場(chǎng)，自然晾干；第3 d 漿液完全凝固，1 號(hào)箱子凝固體積高度降為34.1 cm，2 號(hào)箱子為38.9 cm；經(jīng)計(jì)算，1 號(hào)箱子漿液析水率為3.94%，2 號(hào)箱子漿液析水率為3.95%；漿液析水率較低，符合工程注漿析水率≤10%的要求。

3）帷幕漿液凝固抗壓強(qiáng)度。帷幕漿液終凝后抗壓強(qiáng)度越高，帷幕效果越好，成本也偏高，研究認(rèn)為，406 火區(qū)帷幕注漿漿液終凝后抗壓強(qiáng)度達(dá)到1 MPa 以上，即滿足要求；帷幕漿液終凝后取心，制成直徑50 mm，高100 mm 試件共3 件，試件質(zhì)量配比為水∶PF325 水泥∶粉煤灰=4.8∶3∶1；采用TAW-2000微機(jī)控制電液伺服試驗(yàn)機(jī)儀，將試件置于試驗(yàn)機(jī)承壓板中心，調(diào)整球形座，使試驗(yàn)機(jī)、上下承壓板、試件三者中心線成一線，并使試件上下面受力均勻。以500 N/s 的加載方式加載直至破壞，試驗(yàn)結(jié)果為：元寶灣煤礦406 火區(qū)帷幕注漿漿液終凝后的抗壓強(qiáng)度為1.39～2.12 MPa，強(qiáng)度較高。單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試參數(shù)見(jiàn)表1，單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試試塊如圖3。

2.4 施工過(guò)程

406 火區(qū)地勢(shì)西北側(cè)較低，東南側(cè)較高，為保證漿液“不越界”，注漿過(guò)程中，首先將西側(cè)外帷幕鉆孔注漿充填，形成隔離墻；4 號(hào)煤層厚度6～7.5 m，對(duì)材料的堆積性和流動(dòng)性均要求較高。注漿配比采用“先稀后稠，最后壓注”、“多輪間歇式注漿”等方式，鉆孔注漿間隔20 h 以上，使得漿液凝固后堆積到一定的高度，有效擴(kuò)大注漿半徑；并在注漿鉆孔周圍留設(shè)排泄采空區(qū)氣體的鉆孔[11-13]，既能保證漿液的擴(kuò)散性，又能保證注漿材料的堆積高度。

表1 單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試參數(shù)Table 1 Uniaxial compressive strength test parameters

工程注漿時(shí)間196 d，每1 個(gè)鉆孔均反復(fù)注漿多達(dá)5 次，保證全部鉆孔注滿，總注漿量72 356 m3。注漿結(jié)束3 個(gè)月后，針對(duì)帷幕中心區(qū)域預(yù)留的觀察鉆孔，通過(guò)在鉆孔中安置304 不銹鋼液氮專用管路，并安裝閥門、壓力表等[14-16]，利用液氮槽車，在圖2中的M10、S3、S6 3 個(gè)鉆孔中壓注液氮總計(jì)200 t。

3 火區(qū)治理效果

3.1 漏風(fēng)通道檢測(cè)

2014 年針對(duì)406 火區(qū)進(jìn)行治理過(guò)程中，曾通過(guò)火區(qū)地表鉆孔灌注SF6示蹤氣體，發(fā)現(xiàn)406 火區(qū)與井下6 號(hào)煤層存在多處漏風(fēng)通道。因此，本次火區(qū)治理中，帷幕形成后，為判斷火區(qū)帷幕治理效果，仍采用SF6示蹤氣體法檢測(cè)火區(qū)與下伏6 號(hào)煤層工作面原有漏風(fēng)通道是否依舊存在[17-18]。6205 工作面位于火區(qū)的西南側(cè)，切眼距火區(qū)水平距離約250 m，6105 工作面位于火區(qū)的西側(cè)，切眼距離火區(qū)約120 m，6106 工作面位于火區(qū)的西北側(cè)，切眼距離火區(qū)位置約300 m。406 火區(qū)漏風(fēng)通道檢測(cè)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 406 火區(qū)漏風(fēng)通道檢測(cè)參數(shù)Table 2 Test parameters of air leakage channel in 406 fire area

M10、M4 號(hào)鉆孔為觀察鉆孔，且為進(jìn)風(fēng)狀態(tài)。地面技術(shù)人員自地表向鉆孔內(nèi)釋放SF6氣體，在同一時(shí)間，井下人員持SF6檢測(cè)儀器分別檢測(cè)6205 工作面回風(fēng)隅角、6106 輔運(yùn)密閉墻、6105 回風(fēng)調(diào)節(jié)、6105回風(fēng)密閉墻等位置SF6體積分?jǐn)?shù)。

M10 鉆孔孔口風(fēng)速約3.5 m/s，M4 號(hào)鉆孔孔口風(fēng)速約0.4 m/s，SF6氣體釋放采用浮子流量計(jì)計(jì)算流速，速率≥10 L/min，歷時(shí)250 min，總釋放氣體體積＞2.2 m3。

由于采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)速無(wú)法觀測(cè)，根據(jù)鉆孔孔口風(fēng)速以及測(cè)點(diǎn)位置風(fēng)速推斷，SF6氣體釋放時(shí)間足以使得SF6到達(dá)上述4 個(gè)檢測(cè)位置，且SF6檢測(cè)器基本處于不斷檢測(cè)過(guò)程中，尚未發(fā)現(xiàn)有SF6氣體出現(xiàn)，說(shuō)明406 火區(qū)與6105、6106 以及6205 工作面不存在漏風(fēng)通道，406 火區(qū)帷幕注漿效果較好。

3.2 鉆孔參數(shù)檢測(cè)

滅火工作結(jié)束后，為保證火區(qū)治理效果，針對(duì)預(yù)留的M6、S3 和S6 號(hào)3 個(gè)觀察鉆孔進(jìn)行為期1 個(gè)月的參數(shù)檢測(cè)。采用真空泵以及束管采集鉆孔內(nèi)火區(qū)氣體參數(shù)，用氣相色譜儀進(jìn)行分析；采用自主研發(fā)的鎧裝熱電偶測(cè)溫裝置檢測(cè)鉆孔內(nèi)火區(qū)溫度參數(shù)[19]。觀察鉆孔參數(shù)檢測(cè)數(shù)據(jù)表見(jiàn)表3。

表3 觀察鉆孔參數(shù)檢測(cè)數(shù)據(jù)表Table 3 Test data table of borehole parameters observed

由表3 可以看出，M6 號(hào)和S6 號(hào)鉆孔O2體積分?jǐn)?shù)較低，CO 體積分?jǐn)?shù)約10×10-6，由于煤巖體的熱傳導(dǎo)系數(shù)極低，溫度尚未完全降到常溫狀態(tài)，基本位于40～50 ℃；5 月下旬，S3 號(hào)鉆孔O2體積分?jǐn)?shù)極低，無(wú)CO 產(chǎn)生，溫度均低于20 ℃；6 月上旬，O2體積分?jǐn)?shù)突然升高，并產(chǎn)生約10×10-6的CO 體積分?jǐn)?shù)，溫度依然較低，經(jīng)與礦方溝通及現(xiàn)場(chǎng)查探，該區(qū)域受6205 工作面以及附近掘進(jìn)作業(yè)采動(dòng)影響，火區(qū)地表出現(xiàn)裂隙，遂安排人員對(duì)地表裂隙進(jìn)行掩埋處理。

3.3 火區(qū)治理效果

由于受采動(dòng)影響以及地表自然沉降，小窯火區(qū)漏風(fēng)通道多且隱蔽，已經(jīng)撲滅的火區(qū)在一定漏風(fēng)條件下容易復(fù)燃。保證元寶灣下伏6 號(hào)煤層工作面安全開(kāi)采，盡力撲滅406 火區(qū)是本次工程治理的根本目的。為實(shí)現(xiàn)礦井安全生產(chǎn)，減少投資，因地制宜，采用以帷幕隔離封堵為主，高溫火區(qū)注漿+注液氮治理為輔的方法治理火區(qū)，將火區(qū)與下伏6 號(hào)煤層工作面有效隔離，并撲滅火區(qū)。根據(jù)鉆孔溫度、氣體參數(shù)檢測(cè)數(shù)據(jù)，以及SF6漏風(fēng)參數(shù)數(shù)據(jù)分析，火區(qū)與下伏6 號(hào)煤層火區(qū)西側(cè)6105、6106、6205 工作面已實(shí)現(xiàn)有效隔離，火區(qū)已處于熄滅狀態(tài)。目前，元寶灣煤礦6105、6106 以及6205 工作面已全部回采完畢，在回采過(guò)程中，并未受到406 火區(qū)的侵?jǐn)_，在后續(xù)的鉆孔檢測(cè)過(guò)程中，406 火區(qū)也未出現(xiàn)復(fù)燃現(xiàn)象。

4 結(jié) 語(yǔ)

1）針對(duì)元寶灣煤礦4 號(hào)煤層存在已久的406 火區(qū)，在精確探測(cè)基礎(chǔ)上，建立地面自動(dòng)化大流量遠(yuǎn)距離輸送注漿站，采用帷幕隔離封堵為主、高溫火區(qū)注漿和注液氮治理為輔的方法，實(shí)現(xiàn)了火區(qū)與西側(cè)6105、6106 以及6205 工作面有效隔離、火區(qū)熄滅的目的。

2）406 火區(qū)治理注漿站注漿量40～60 m3/h，輸送距離≥400 m，帷幕隔離注漿析水率3.95%，漿液終凝后抗壓強(qiáng)度1.39～2.12 MPa。

3）注漿結(jié)束后，火區(qū)鉆孔溫度由最高558 ℃降至40～50 ℃，并持續(xù)下降；鉆孔CO 體積分?jǐn)?shù)由最高近1%降至10×10-6，并保持穩(wěn)定，且無(wú)C2H4、C2H2出現(xiàn)；自地表觀察孔采用SF6檢測(cè)，406 火區(qū)與6105、6106 以及6205 工作面之間已不存在漏風(fēng)通道。